CN101844905A - 水淬锰渣高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

水淬锰渣高性能混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水淬锰渣高性能混凝土及其制备方法，它由水硬性胶凝材料和碎石、砂子、水及少量表面活性剂制备而成；按重量百分比计算，所述水硬性胶凝材料由内掺4%～10%天然硬石膏的水淬锰渣15%～30%、膨胀剂8%～10%和水泥60%～77%组成。本发明利用锰渣和膨胀剂双掺制备高性能混凝土，首先针对锰渣潜在的水凝性进行了高值化综合应用，降低了水泥水化热，节约了混凝土水泥用量，降低了混凝土成本；又利用膨胀剂解决了混凝土收缩开裂问题，确保了高性能混凝土的尺寸稳定性；同时本发明可以消化掉大量的工业固体废弃物(锰渣)，加强了废渣的综合利用,减少了环境污染。

Description

水淬锰渣高性能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种水淬锰渣高性能混凝土及其制备方法，属于废渣利用及建筑材料领域。
背景技术
我国是世界最大的铁合金生产国，不仅是铁合金生产大国，也是铁合金出口大国，2003年我国铁合金产量为637万吨，占世界总产量2153万吨的30％，出口铁合金182万吨，占世界贸易总量1087万吨的17％。目前，全国有八百多家冶炼锰铁合金的企业，随之带来了锰渣排放量日益增多的问题。锰渣(铁合金渣)是高炉冶炼锰铁合金过程中，所排放的1400℃熔融物经水淬急冷形成的一种工业固体废弃物。主要化学成分为二氧化硅（SiO 2 ）、三氧化二铝（Al 2 O 3 ）、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化锰（MnO）、三氧化二铁（Fe 2 O 3 ）等，矿物成分中90%为玻璃体，另10%为镁蔷薇辉石（3CaO·MgO·2SiO 2 ）、镁黄长石（2CaO·MgO·2SiO 2 ）、钙铝黄长石（2CaO·Al 2 O 3 ·SiO 2 ）、硅酸二钙（C 2 S）和少量的硅酸三钙（C 3 S）。锰渣的活性仅次于生铁矿渣，优于粉煤灰，具有较高的利用价值，可用于生产矿渣硅酸盐水泥、锰渣烧结砖和蒸压砖、水泥矿化剂、混凝土粗细骨料、小型空心砌块，用作路基材料等。但是这些粗放型的生产没有充分利用锰渣潜在的水凝性的特点，因此这种工业废弃物并没有得到恰当且广泛的应用。
据统计，每吨锰铁合金排放2～2.5倍锰渣，按2004年全国锰铁合金产量为865万吨计，产生约1700万吨的渣，目前，我国每年锰渣排放量达2000万吨左右。由于这些锰渣得不到充分的利用，堆积成山，不仅占用大量耕地，而且严重污染周边环境，影响到企业的可持续发展。
另外随着我国国民经济建设的高速发展，建筑行业混凝土向高强、高性能化迅猛发展，但高强、高性能混凝土易带来水硬性胶凝材料用量高和水化热高的问题，引起混凝土产生更大收缩和开裂几率，从而影响了高强、高性能混凝土的普遍应用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种水淬锰渣高性能混凝土及其制备方法。本发明利用锰渣和膨胀剂双掺制备高性能混凝土，既可充分发挥锰渣潜在的水凝性，降低水泥水化热，节约混凝土水泥用量，降低混凝土成本，又可以消化掉大量的工业固体废弃物（锰渣），加强废渣的综合利用,减少环境污染。
本发明的技术方案：一种水淬锰渣高性能混凝土，由水硬性胶凝材料和碎石、砂子、水及少量表面活性剂制备而成（各种材料之间的配比可按行业标准JGJ55-2002《普通混凝土配合比设计规程》进行混凝土配合比设计）；按重量百分比计算，所述水硬性胶凝材料由内掺4%～10%天然硬石膏的水淬锰渣15%～30%、膨胀剂8%～10%和水泥60%～77%组成。
按重量百分比计算，前述水硬性胶凝材料最好由内掺6%～8%天然硬石膏的水淬锰渣30%、膨胀剂10%和水泥60%组成。
前述混凝土的容重为2400～2600kg/m 3 ，水硬性胶凝材料总量为550～600kg/m 3 ，水灰比为25%～35%，砂率为25%～50%。
前述表面活性剂用量为水硬性胶凝材料总量的1%～1.2%。
所述天然硬石膏中SO 3 含量大于45%；所述膨胀剂即混凝土外加剂，是符合混凝土膨胀剂国家标准GB23439-2009要求的膨胀剂；所述水泥是符合GB175《通用硅酸盐水泥》42.5级的水泥。
前述水淬锰渣高性能混凝土的制备方法为：将天然硬石膏掺入水淬锰渣中，共同磨细，再与膨胀剂、水泥混合制得水硬性胶凝材料，然后添加碎石、砂子、水及表面活性剂，搅拌均匀，即得水淬锰渣高性能混凝土。
前述掺入天然硬石膏的水淬锰渣磨细至比表面积≥420m 2 /kg。
以上所用碎石符合GB/T14685-2001《建筑用卵石、碎石》标准要求，且最大粒径≤3cm；所用砂子符合GB/T14684-2001《建筑用砂》标准人工砂质量要求；所用表面活性剂质量符合JG/T223-2007《聚羧酸系高性能减水剂》标准要求。
高性能混凝土与普通混凝土相比具有更高的强度、和易性和耐久性，因而更难配制，对原材料要求较高，现有技术中利用硅粉和矿粉配制的高性能混凝土成本均较高。而本发明充分利用工业固体废弃物—水淬锰渣替代部分水泥与普通碎石、砂子及表面活性剂配制出高性能混凝土，且水淬锰渣最高用量达30%，达到国家利废免税要求。
采用本发明技术，可制得塌落度为18～25cm，28天强度为50～80MPa的高性能混凝土。
以下是发明人为完成本发明所进行的主要研究和筛选试验。
一、激发剂的选择
 
 
 
1、锰渣的化学成分：
2、水淬锰渣的质量系数及碱性系数：
根据国标GB/T203-2008《用于水泥中的粒化高炉矿渣》的规定，参照矿渣质量系数来计算锰渣质量系数如下：
a锰渣的质量系数K=(CaO+MgO+Al 2 O 3 )/(SiO 2 +MnO+TiO 2 )
            =53.48/45.04
=1.19＜1.2
b锰渣的碱性系数M0=(CaO+MgO)/(SiO 2 +Al 2 O 3 )
                 =34.49/55.63
                 =0.62＜1  为酸性渣
可见水淬锰渣活性一般。锰渣的XRD分析表明，水淬锰渣的玻璃体含量高达90%，故其具有一定的潜在水凝性，但需要通过碱性激发剂或酸性激发剂激发其潜在水凝性。考虑到碱性激发剂激发锰渣易带入碱金属而导致混凝土碱含量过高，可能引起混凝土发生碱集料反应而破坏混凝土结构的后果，且氢氧化钾、氢氧化钠相对价格较高，生石灰容易消解结块，不易保存。故本发明通过试验研究确定采用酸性激发剂—天然硬石膏来激发水淬锰渣的潜在水凝性。天然硬石膏的掺量也是发明人经过试验研究所筛选、确定的。
二、天然硬石膏掺量的确定
表1
Figure 452186DEST_PATH_IMAGE002
从表1可以看出，在水淬锰渣里内掺4%～10%的天然硬石膏后，掺入20%锰渣的砂浆28天强度与不掺锰渣的空白试块基本一致，可见天然石膏激发效果不错。
三、水淬锰渣、膨胀剂的配合比
表2
Figure 294240DEST_PATH_IMAGE003
其中膨胀剂的掺量根据膨胀剂国家标准确定，目的是保证混凝土的尺寸稳定性和提高混凝土的密实度。
四、内掺锰渣和膨胀剂的高性能混凝土强度试验结果
表3
Figure 751766DEST_PATH_IMAGE004
注：同表2，0组即为未掺锰渣及膨胀剂的普通混凝土，其余为掺不同量锰渣及膨胀剂的混凝土。
由表3可见，掺入30%锰渣和10%膨胀剂的混凝土无论强度还是塌落度、扩展度（和易性）均较普通混凝土（0组的）好。
五、内掺锰渣和膨胀剂的高性能混凝土的长期耐久性能试验研究
照上述表3中D组(即30%锰渣和10%膨胀剂内掺量)配合比进行混凝土物料力学及耐久性能试验，其结果如下。
1、锰渣高性能混凝土的尺寸稳定性（限制膨胀率试验）
按照GB50119-2003《混凝土外加剂应用技术规范》的规定，混凝土14天限制膨胀率大于0.15‰，28天干空中收缩率不大于0.3‰，即达到补偿收缩混凝土的要求。按照混凝土限制膨胀率测试方法进行限制膨胀试验，其结果如下：                       
表4
Figure 628456DEST_PATH_IMAGE005
按照GB50119-2003《混凝土外加剂应用技术规范》补偿收缩混凝土的规定，试验结果如下：                          
表5
Figure 847708DEST_PATH_IMAGE006
从上表可以看出，掺入30%水淬锰渣和10%膨胀剂的高性能混凝土完全满足标准对补偿收缩混凝土的技术要求，也即该高性能混凝土的尺寸稳定性良好。
2、锰渣高性能混凝土的抗渗性能试验研究
按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行混凝土抗渗试验，其结果如下：             
表6
从表6混凝土抗渗试验结果可以看出，掺入锰渣、膨胀剂的高性能混凝土与空白（0组）的抗渗标号均＞S16，但掺入锰渣、膨胀剂的高性能混凝土的渗透高度较小，说明其抵抗渗透的效果更好。
3、锰渣高性能混凝土的抗冻性能试验研究
按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行混凝土抗冻试验，其结果如下：
表7 试验砼配合比
Figure 500592DEST_PATH_IMAGE008
表8 抗冻试验结果
4、锰渣高性能混凝土的静力弹性模量
按照GBT50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行混凝土静力弹性模量试验，其结果如下：               
表9
从上面试验结果看出，掺入锰渣、膨胀剂的高性能混凝土轴心抗压强度比空白（0组）的高13.5MPa，但其静力弹性模量却较低，因此在同样应力作用下，掺入锰渣、膨胀剂的高性能混凝土的韧性更好些，相对空白的不容易开裂。
5、锰渣高性能混凝土的放射性检测结果
按照GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》的要求，将上述D组配方，即掺入锰渣和膨胀剂的高性能混凝土送到省建材质检站检测，其检测结果如下：
表10 水淬锰渣高性能混凝土的放射性检测结果
Figure 543262DEST_PATH_IMAGE011
从上述试验结果可见，掺入锰渣、膨胀剂配制的高性能混凝土无论在强度、和易性及长期耐久性能方面均较空白（0组）的好。锰渣掺入量达30%，对降低混凝土水化热及每立方造价有极大好处，且拓展了工业固体废弃物锰渣的用途，减少了环境污染，对加快循环经济建设具有重要意义；所配制的混凝土符合高性能混凝土高强、高和易性、尺寸稳定性及耐久性的要求。
与现有技术相比，本发明利用锰渣和膨胀剂双掺制备高性能混凝土，首先针对锰渣潜在的水凝性进行了高值化综合应用，降低了水泥水化热，节约了混凝土水泥用量，降低了混凝土成本；又利用膨胀剂解决了混凝土收缩开裂问题，确保了高性能混凝土的尺寸稳定性；同时本发明可以消化掉大量的工业固体废弃物（锰渣）（毕竟混凝土是目前用量最大的建筑材料），加强了废渣的综合利用,减少了环境污染。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：称取18kg（6%）天然硬石膏（SO 3 含量50%）掺入282kg水淬锰渣中，将掺入天然硬石膏的水淬锰渣磨细至比表面积≥420m 2 /kg，再与膨胀剂（符合混凝土膨胀剂国家标准GB23439-2009要求的混凝土外加剂）100kg、水泥（符合GB175《通用硅酸盐水泥》42.5级）600kg混合，得水硬性胶凝材料；取水硬性胶凝材料600kg，加入碎石（符合GB/T14685-2001《建筑用卵石、碎石》标准要求，最大粒径3cm）1032kg、砂子（符合GB/T14684-2001《建筑用砂》标准人工砂质量要求）688kg（砂率40%）、水180kg（水灰比30%）及表面活性剂（符合JG/T223-2007《聚羧酸系高性能减水剂》标准要求）7.2kg，混合，采用混凝土搅拌机搅拌均匀，即得水淬锰渣高性能混凝土（容重为2500kg/m 3 ）。经检测，其塌落度为19cm，28天强度为79MPa。
实施例2：称取20kg（8%）天然硬石膏（SO 3 含量＞45%）掺入230kg水淬锰渣中，将掺入天然硬石膏的水淬锰渣磨细至比表面积≥420m 2 /kg，再与膨胀剂（符合混凝土膨胀剂国家标准GB23439-2009要求）90kg、水泥（符合GB175《通用硅酸盐水泥》42.5级）660kg混合，得水硬性胶凝材料；取水硬性胶凝材料580kg，加入碎石（最大粒径＜3cm）841kg、砂子776kg（砂率48%）、水203kg（水灰比35%）及表面活性剂5.8kg，混合，采用混凝土搅拌机搅拌均匀，即得水淬锰渣高性能混凝土（容重为2400kg/m 3 ）。经检测，其塌落度为21cm，28天强度为74MPa。
实施例3：称取10.5kg（7%）天然硬石膏掺入139.5kg水淬锰渣中，共同磨细至比表面积≥420m 2 /kg，再与膨胀剂80kg、水泥770kg混合，得水硬性胶凝材料；取水硬性胶凝材料550kg，加入碎石1430kg、砂子477kg（砂率25%）、水143kg（水灰比26%）及表面活性剂6.6kg，混合，搅拌均匀，即得水淬锰渣高性能混凝土（容重为2600kg/m 3 ）。
实施例4：称取10kg（5%）天然硬石膏掺入190kg水淬锰渣中，共同磨细至比表面积为420m 2 /kg，再与膨胀剂100kg、水泥700kg混合，得水硬性胶凝材料；取水硬性胶凝材料600kg，加入碎石、砂子、水共1850kg（具体配比按行业标准JGJ55-2002《普通混凝土配合比设计规程》进行混凝土配合比设计）及表面活性剂6.6kg，混合，搅拌均匀，即得水淬锰渣高性能混凝土（容重为2450kg/m 3 ）。

Claims (7)

1.一种水淬锰渣高性能混凝土，其特征在于：它由水硬性胶凝材料和碎石、砂子、水及少量表面活性剂制备而成；按重量百分比计算，所述水硬性胶凝材料由内掺4%～10%天然硬石膏的水淬锰渣15%～30%、膨胀剂8%～10%和水泥60%～77%组成。
2.根据权利要求1所述的水淬锰渣高性能混凝土，其特征在于：按重量百分比计算，所述水硬性胶凝材料由内掺6%～8%天然硬石膏的水淬锰渣30%、膨胀剂10%和水泥60%组成。
3.根据权利要求1或2所述的水淬锰渣高性能混凝土，其特征在于：混凝土的容重为2400～2600kg/m3，水硬性胶凝材料总量为550～600kg/m3，水灰比为25%～35%,砂率为25%～50%。
4.根据权利要求1或2所述的水淬锰渣高性能混凝土，其特征在于：表面活性剂用量为水硬性胶凝材料总量的1%～1.2%。
5.根据权利要求1或2所述的水淬锰渣高性能混凝土，其特征在于：所述天然硬石膏中SO3含量大于45%；所述膨胀剂即混凝土外加剂，是符合混凝土膨胀剂国家标准GB23439-2009要求的膨胀剂；所述水泥是符合GB175《通用硅酸盐水泥》42.5级的水泥。
6.如权利要求1-5中任一项所述水淬锰渣高性能混凝土的制备方法，其特征在于：将天然硬石膏掺入水淬锰渣中，共同磨细,再与膨胀剂、水泥混合制得水硬性胶凝材料，然后添加碎石、砂子、水及表面活性剂，搅拌均匀，即得水淬锰渣高性能混凝土。
7.根据权利要求6所述的水淬锰渣高性能混凝土的制备方法，其特征在于：掺入天然硬石膏的水淬锰渣磨细至比表面积≥420m2/kg。
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